Каменный магнетизм

Горный магнетизм — изучение магнитных свойств горных пород , отложений и почв . Это поле возникло из-за необходимости палеомагнетизма понять, как горные породы записывают магнитное поле Земли. Эту остаточную намагниченность переносят минералы, особенно некоторые сильно магнитные минералы, такие как магнетит (основной источник магнетизма в магните ). Понимание остаточной намагниченности помогает палеомагнетистам разрабатывать методы измерения древнего магнитного поля и корректировать такие эффекты, как уплотнение отложений и метаморфизм . Магнитные методы используются для получения более детальной картины источника характерного полосатого рисунка морских магнитных аномалий , который дает важную информацию о тектонике плит . Они также используются для интерпретации земных магнитных аномалий в магнитных исследованиях а также сильного магнетизма коры Марса , .

Сильномагнитные минералы обладают свойствами, которые зависят от размера, формы, дефектной структуры и концентрации минералов в породе. Магнетизм горных пород обеспечивает неразрушающие методы анализа этих минералов, такие как измерения магнитного гистерезиса , измерения температурно-зависимой остаточной намагниченности, мессбауэровская спектроскопия , ферромагнитный резонанс и так далее. С помощью таких методов специалисты по магнетизму горных пород могут измерить влияние прошлых изменений климата и воздействия человека на минералогию (см. Экологический магнетизм ). В отложениях большая часть магнитной остаточной намагниченности переносится минералами, созданными магнитотаксическими бактериями , поэтому горные магнетисты внесли значительный вклад в биомагнетизм .

История

До 20 века изучение поля Земли ( геомагнетизма и палеомагнетизма ) и магнитных материалов (особенно ферромагнетизма ) развивалось раздельно.

Каменный магнетизм зародился, когда ученые объединили эти два поля в лаборатории. ^{[ 1 ]} Кенигсбергер (1938), Телье (1938) и Нагата (1943) исследовали происхождение остаточной намагниченности в магматических породах . ^{[ 1 ]} Нагревая горные породы и археологические материалы до высоких температур в магнитном поле, они придавали материалам термоостаточную намагниченность (ТРМ) и исследовали свойства этой намагниченности. Телье разработал ряд условий ( законов Телье ), выполнение которых позволило бы определить напряженность древнего магнитного поля методом Телье-Телье . В 1949 году Луи Неель разработал теорию, объясняющую эти наблюдения, показал, что законам Телье удовлетворяют определенные виды однодоменных магнитов, и ввел концепцию блокировки TRM. ^{[ 2 ]}

Когда палеомагнитные работы в 1950-х годах подтвердили теорию дрейфа континентов , ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} скептики поспешили задаться вопросом, могут ли горные породы сохранять стабильную остаточную намагниченность на протяжении геологических эпох. ^{[ 5 ]} Каменные магнетисты смогли показать, что камни могут иметь более одного компонента остаточной намагниченности: некоторые из них мягкие (легко удаляемые), а некоторые очень стабильные. Чтобы добраться до стабильной части, они начали «очищать» образцы, нагревая их или подвергая воздействию переменного поля. Однако более поздние события, особенно признание того, что многие породы Северной Америки были повсеместно перемагничены в палеозое , ^{[ 6 ]} показали, что одного этапа очистки недостаточно, и палеомагнетисты начали регулярно использовать поэтапное размагничивание, чтобы удалить остаточную намагниченность небольшими порциями.

Основы

Виды магнитного порядка

Вклад минерала в общий магнетизм породы сильно зависит от типа магнитного порядка или беспорядка. Магнитно-неупорядоченные минералы ( диамагнетики и парамагнетики ) обладают слабым магнетизмом и не имеют остаточной намагниченности . Наиболее важными минералами для магнетизма горных пород являются минералы, которые могут быть магнитно упорядочены, по крайней мере, при некоторых температурах. Это ферромагнетики , ферримагнетики и некоторые виды антиферромагнетиков . Эти минералы гораздо сильнее реагируют на поле и могут иметь остаточную намагниченность .

Диамагнетизм

Диамагнетизм — это магнитный отклик, присущий всем веществам. В ответ на приложенное магнитное поле электроны прецессируют (см. прецессию Лармора ), и по закону Ленца они защищают внутреннюю часть тела от магнитного поля . Таким образом, возникающий момент направлен в направлении, противоположном полю, и восприимчивость отрицательна. Этот эффект слабый, но не зависит от температуры. Вещество, единственным магнитным откликом которого является диамагнетизм, называется диамагнетиком.

Парамагнетизм

Парамагнетизм — это слабая положительная реакция на магнитное поле, вызванная вращением спинов электронов . Парамагнетизм возникает в некоторых видах железосодержащих минералов, поскольку железо содержит неспаренный электрон в одной из своих оболочек (см. правила Хунда ). Некоторые из них парамагнитны вплоть до абсолютного нуля, и их восприимчивость обратно пропорциональна температуре (см. закон Кюри ); другие магнитно упорядочены ниже критической температуры, и восприимчивость увеличивается по мере приближения к этой температуре (см. закон Кюри – Вейсса ).

Ферромагнетизм

В совокупности сильномагнитные материалы часто называют ферромагнетиками . Однако этот магнетизм может возникнуть в результате более чем одного вида магнитного порядка. В строгом смысле слова ферромагнетизм относится к магнитному упорядочению, при котором спины соседних электронов выравниваются за счет обменного взаимодействия . Классический ферромагнетик — железо . Ниже критической температуры, называемой температурой Кюри , ферромагнетики имеют спонтанную намагниченность возникает гистерезис , и в их реакции на изменение магнитного поля . Что наиболее важно для магнетизма горных пород, у них есть остаточная намагниченность , поэтому они могут регистрировать поле Земли.

Железо не распространено широко в чистом виде. Обычно он входит в состав оксидов железа , оксигидроксидов и сульфидов . В этих соединениях атомы железа расположены недостаточно близко для прямого обмена, поэтому они соединяются посредством непрямого обмена или сверхобмена. В результате кристаллическая решетка разделяется на две или более подрешетки с разными моментами. ^{[ 1 ]}

Ферримагнетизм

Ферримагнетики имеют две подрешетки с противоположными моментами. Одна подрешетка имеет больший момент, поэтому имеет место результирующий дисбаланс. Магнетит , самый важный из магнитных минералов, является ферримагнетиком. Ферримагнетики часто ведут себя как ферромагнетики , но температурная зависимость их спонтанной намагниченности может быть совершенно иной. Луи Неель выделил четыре типа температурной зависимости, один из которых связан с перемагничиванием. Это явление сыграло роль в спорах по поводу морских магнитных аномалий .

Антиферромагнетизм

Антиферромагнетики , как и ферримагнетики, имеют две подрешетки с противоположными моментами, но теперь моменты равны по величине. Если моменты точно противоположны, магнит не имеет остаточной намагниченности . Однако моменты могут быть наклонены ( наклон спина ), в результате чего момент будет почти под прямым углом к моментам подрешеток. Гематит обладает таким магнетизмом.

Магнитная минералогия

Виды остаточной намагниченности

Магнитную остаточную намагниченность часто отождествляют с особым видом остаточной намагниченности, который получается после воздействия на магнит поля при комнатной температуре. Однако поле Земли невелико, и такая остаточная намагниченность будет слабой и легко перекроется более поздними полями. Центральной частью магнетизма горных пород является изучение магнитной остаточной намагниченности, как естественной остаточной намагниченности (NRM) в горных породах, полученной в поле, так и остаточной намагниченности, индуцированной в лаборатории. Ниже перечислены важные естественные остаточные намагниченности и некоторые искусственно созданные виды.

Термоостаточная намагниченность (ТРМ)

Когда магматическая порода охлаждается, она приобретает термоостаточную намагниченность (ТРМ) от поля Земли. TRM может быть намного больше, чем было бы при воздействии того же поля при комнатной температуре (см. изотермическую остаточную намагниченность ). Эта остаточная намагниченность также может быть очень стабильной и сохраняться без существенных изменений в течение миллионов лет. TRM является основной причиной того, что палеомагнетисты могут определить направление и величину поля древней Земли. ^{[ 7 ]}

Если порода впоследствии повторно нагревается (например, в результате захоронения), часть или вся TRM может быть заменена новой остаточной намагниченностью. Если это только часть остаточной намагниченности, она известна как частичная термоостаточная намагниченность (pTRM) . Поскольку были проведены многочисленные эксперименты по моделированию различных способов приобретения остаточной намагниченности, pTRM может иметь и другие значения. Например, его также можно получить в лаборатории, охладив в нулевом поле до температуры $T_{1}$ (ниже температуры Кюри ), приложение магнитного поля и охлаждение до температуры $T_{2}$ , а затем охлаждаем оставшуюся часть пути до комнатной температуры в нулевом поле.

Стандартная модель TRM выглядит следующим образом. Когда такой минерал, как магнетит, охлаждается ниже температуры Кюри , он становится ферромагнитным , но не сразу способен сохранять остаточную намагниченность. Вместо этого он является суперпарамагнетиком и обратимо реагирует на изменения магнитного поля. Чтобы остаточная намагниченность была возможной, должна существовать достаточно сильная магнитная анизотропия , чтобы поддерживать намагниченность вблизи стабильного состояния; в противном случае тепловые флуктуации заставляют магнитный момент беспорядочно перемещаться. Поскольку горная порода продолжает остывать, существует критическая температура, при которой магнитная анизотропия становится достаточно большой, чтобы предотвратить блуждание момента: эта температура называется температурой блокировки и обозначается символом $T_{B}$ . Намагниченность остается в том же состоянии, когда порода охлаждается до комнатной температуры и становится термоостаточной намагниченностью.

Химическая (или кристаллизационная) остаточная намагниченность (CRM)

Магнитные зерна могут осаждаться из циркулирующего раствора или образовываться в ходе химических реакций и могут фиксировать направление магнитного поля во время образования минерала. Говорят, что поле регистрируется с помощью химической остаточной намагниченности (CRM) . Минерал, регистрирующий поле, обычно представляет собой гематит, еще один оксид железа. Красные пласты, обломочные осадочные породы (такие как песчаники), которые имеют красный цвет в первую очередь из-за образования гематита во время или после осадочного диагенеза, могут иметь полезные признаки CRM, и магнитостратиграфия может быть основана на таких признаках.

Депозитарная остаточная намагниченность (DRM)

Магнитные зерна в отложениях могут выравниваться по магнитному полю во время или вскоре после осаждения; это известно как детритная остаточная намагниченность (DRM). Если намагниченность приобретается при осаждении зерен, результатом является остаточная намагниченность осажденных детритов (dDRM); если оно приобретается вскоре после осаждения, это постосаждаемая детритовая остаточная намагниченность (pDRM) .

Вязкая остаточная намагниченность

Вязкая остаточная намагниченность (VRM) , также известная как вязкая намагниченность, представляет собой остаточную намагниченность , которая приобретается ферромагнитными минералами при нахождении в магнитном поле в течение некоторого времени. В результате этого процесса естественная остаточная намагниченность может магматической породы быть изменена. Чтобы удалить этот компонент, необходимо использовать некоторую форму поэтапного размагничивания. ^{[ 1 ]}

Применение магнетизма горных пород

Примечания

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Данлоп и Оздемир, 1997 г.
^ Неель 1949
^ Ирвинг 1956 г.
^ Ранкорн 1956
^ Например, сэр Гарольд Джеффрис в своем влиятельном учебнике «Земля » сказал об этом следующее:

«Когда я последний раз проводил магнитный эксперимент (около 1909 года), нас предостерегали от небрежного обращения с постоянными магнитами, а магнетизм мог измениться без особой небрежности. При изучении магнетизма горных пород образец приходится отламывать геологическим молотком. как это происходит, я так и не получил никакого ответа . и затем переносят в лабораторию. Предполагается, что при этом его магнетизм существенно не меняется, и хотя я часто спрашивал , 371
^ Маккейб и Элмор, 1989 г.
^ Стейси и Банерджи, 1974 г.

Ссылки

Данлоп, Дэвид Дж.; Оздемир, Озден (1997). Каменный магнетизм: основы и границы . Кембриджский университет Нажимать . ISBN 0-521-32514-5 .
Хант, Кристофер П.; Московиц, Брюс П. (1995). «Магнитные свойства горных пород и минералов». Ин Аренс, Ти Джей (ред.). Физика горных пород и фазовые отношения: Справочник физических констант . Том. 3. Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз. стр. 189–204.
Ирвинг, Э. (1956). «Палеомагнитные и палеоклиматологические аспекты полярных странствий». Геофис. Пура. Приложение . 33 (1): 23–41. Бибкод : 1956GeoPA..33...23I . дои : 10.1007/BF02629944 . S2CID 129781412 .
Джеффрис, сэр Гарольд (1959). Земля: ее происхождение, история и физическое строение . Кембриджский университет. Нажимать . ISBN 0-521-20648-0 .
Маккейб, К.; Элмор, Р.Д. (1989). «Происхождение и происхождение позднепалеозойского перемагничивания в осадочных породах Северной Америки». Обзоры геофизики . 27 (4): 471–494. Бибкод : 1989RvGeo..27..471M . дои : 10.1029/RG027i004p00471 .
Неель, Луи (1949). «Теория магнитного увлечения мелкозернистых ферромагнетиков применительно к терракотам». Энн. Геофиз . 5 :99–136.
Ранкорн, СК (1956). «Палеомагнитные сравнения Европы и Северной Америки». Учеб. геол. доц. Канада . 8 : 77–85.
Стейси, Фрэнк Д .; Банерджи, Субир К. (1974). Физические принципы магнетизма горных пород . Эльзевир . ISBN 0-444-41084-8 .

Внешние ссылки

[Dunlop-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Данлоп и Оздемир, 1997 г.

[2] Неель 1949

[3] Ирвинг 1956 г.

[4] Ранкорн 1956

[5] Например, сэр Гарольд Джеффрис в своем влиятельном учебнике «Земля » сказал об этом следующее:

«Когда я последний раз проводил магнитный эксперимент (около 1909 года), нас предостерегали от небрежного обращения с постоянными магнитами, а магнетизм мог измениться без особой небрежности. При изучении магнетизма горных пород образец приходится отламывать геологическим молотком. как это происходит, я так и не получил никакого ответа . и затем переносят в лабораторию. Предполагается, что при этом его магнетизм существенно не меняется, и хотя я часто спрашивал , 371

[6] Маккейб и Элмор, 1989 г.

[7] Стейси и Банерджи, 1974 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]